(57)【要約】  水力発電装置１においては、全ての水車翼２２が同時に水没する使用形態となる結果、水車２０全体の水没体積が大幅に増し、水車２０自体の重量、及び該水車２０に接続される発電機４０の重量の少なからぬ部分を、各水車翼２２に作用する浮力の合計により担うことができる。その結果、水車２０及び発電機４０の支持構造部の軽量化及び省スペース化を図ることができ、水力発電装置１を設置するに当たってのスペースや建設費を効果的に削減することができる。これにより、水流エネルギーの水車回転エネルギーへの効率変換が高く、かつ、水車自体に作用する浮力をより効果的に活用することにより、水車と発電機の重量を、よりコンパクトな機構にて効率よく支持できる水力発電装置を提供する。
2011010675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用水流の水面と交差する回転軸周りに複数の水車翼が一体回転可能に配置された水車と、
水面よりも全体が上方に位置する形で前記水車の回転軸の上端側に取り付けられ、該水車の回転エネルギーを電力変換する発電機と、
前記水車と前記発電機とを、全ての前記水車翼が前記発電用水流に対し、前記回転軸の軸線方向における少なくとも下端側が同時に水没するように支持する水車支持手段と、
を備えたことを特徴とする水力発電装置。
【請求項２】
前記水車は、前記回転軸の軸線と直交する断面において各前記水車翼が、前記後方翼面が前記基準回転方向前方側に引っ込む凹湾曲面とされ、前記前方翼面が前記基準回転方向前方側に突出するとともに前記後方翼面よりも湾曲深さが大きい凸湾曲面とされ、さらに、前記前方翼面は、湾曲ノーズ部において曲率が極大となり、該湾曲ノーズ部から前記翼内縁側及び前記翼外縁側に向けてそれぞれ曲率が減少し、該湾曲ノーズ部から前記翼外縁に至る第一面の面長が同じく翼内縁に至る第二面の面長よりも大きい流線形状をなし、前記前方翼面にて前記基準回転方向前方側から相対水流を受けた場合に、前記第一面と前記第二面とは、前記湾曲ノーズ部から前記翼外縁に向けて当該第一面に沿って生ずる相対水流の速度が、同じく前記翼内縁に向けて前記第二面に沿って生ずる相対水流の速度よりも大きくなるよう、それぞれ高速水流通過面及び低速水流通過面として機能するように形成され、各前記水車翼にて生ずる、前記高速水流通過面と前記低速水流通過面との前記相対水流の流速差に基づく揚力トルクを、前記後方翼面側にて前記水車翼を前記基準回転方向に回転させる向きに生じさせるようにしたものである請求の範囲第１項記載の水力発電装置。
【請求項３】
前記水車は、基準軸線上の第一位置に回転軸線を一致させる形で配置され、前記水流を受けて第一方向に回転する第一水車と、前記基準軸線上にて前記第一位置よりも下方に設定された第二位置に配置されるとともに、前記水流を受けて前記第一水車とは逆方向に回転する第二水車とを有し、
前記発電機は、界磁用マグネットが設けられ前記第一水車及び前記第二水車の一方と一体回転する第一ロータと、該第一ロータと逆方向に前記第一水車及び前記第二水車の他方と一体回転するとともに前記界磁用マグネットにより励磁される発電用コイルが設けられた第二ロータとを有する請求の範囲第１項又は請求の範囲第２項に記載の水力発電装置。
【請求項４】
前記第一水車の回転軸をなす第一回転軸が筒状に形成され、該第一回転軸の上端が前記第一ロータ及び前記第二ロータの一方に一体回転可能に結合される一方、前記第二水車の回転軸をなす第二回転軸の上端が前記第一ロータ及び前記第二ロータの他方に一体回転可能に結合されるとともに、該第二回転軸の下端側が筒状の前記第一回転軸の内部を同軸的に貫通し、前記第二水車に一体回転可能に結合されてなる請求の範囲第３項記載の水力発電装置。
【請求項５】
前記発電機は、前記発電用コイルと前記界磁用マグネットとが前記回転軸線方向にエアギャップを形成する形で対向するよう、前記第二ロータにおいて、空芯扁平に構成された複数の前記発電用コイルが前記回転軸線周りに各々前記軸線方向が前記回転軸線方向と一致する形で配列し、前記第一ロータにおいて、前記回転軸線周りに複数の前記界磁用マグネットが各々前記回転軸線方向に着磁された形で配列したアキシャルギャップ型発電機として構成されてなり、
前記第一水車の前記第一回転軸が前記第一ロータに、前記第二水車の前記第二回転軸が前記第二ロータにそれぞれ接続されるとともに、
前記第一ロータは、前記第二ロータの前記発電用コイルとの対向面に前記界磁用マグネットが取り付けられる円板状のロータ本体を有し、前記第一回転軸が該ロータ本体に一体回転可能に結合されるとともに、前記第二ロータの前記発電用コイルに対し、アキシャル方向にて前記ロータ本体と反対側から対向する形で円板状の補助ロータ本体が設けられ、該補助ロータ本体の前記発電用コイルとの対向面において、前記ロータ本体側の界磁用マグネットに対応する位置に、該界磁用マグネットとは逆極性の補助界磁用マグネットが取り付けられ、前記ロータ本体と前記補助ロータ本体とが外周縁にて前記第二ロータを周方向に取り囲む周壁部により一体回転可能に連結されてなり、それらロータ本体、周壁部及び補助ロータ本体が軟磁性金属材料からなる界磁ヨークを構成してなる請求の範囲第４項記載の水力発電装置。
【請求項６】
前記水車翼は、見かけ比重が水よりも軽い構造体として形成されてなる請求の範囲第１項ないし請求の範囲第５項のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項７】
前記水車翼は、外表面部が中空の金属殻体により形成されてなる請求の範囲第６項記載の水力発電装置。
【請求項８】
前記水車翼は、前記金属殻体の内部が水よりも見かけ比重の小さい樹脂充填物により充填されてなる請求の範囲第７項記載の水力発電装置。
【請求項９】
前記水車支持手段は、前記水流に対して相対移動不能な支持ベースに固定され、前記発電機を前記水面よりも上方に支持する発電機支持部を有し、該発電機支持部に支持された前記発電機に対し前記水車が、前記回転軸の上端にて吊り下げ形態に取り付けられている請求の範囲第１項ないし請求の範囲第８項のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項１０】
前記水流は、流れ幅方向両側に岸壁を有する水路中に形成されるものであり、前記発電機支持部は、前記水路の各岸壁を前記支持ベースとする形で両端が支持される支持梁と、該支持梁の長手方向途中位置に設けられ前記発電機が取り付けられる発電機取付部とを有する請求の範囲第９項記載の水力発電装置。
【請求項１１】
前記発電機取付部の下方には、該発電機取付部に取り付けられた前記発電機に対し吊り下げ形態に取り付けられた前記水車の周囲を、水流の通過を許容しつつ保護する保護フレームが設けられている請求の範囲第１０項記載の水力発電装置。
【請求項１２】
前記保護フレームの底部に、前記水車の前記回転軸の下端を回転可能に支持する軸受が設けられている請求の範囲第１１項記載の水力発電装置。
【請求項１３】
前記水車支持手段は、前記発電機と前記水車とを一体化した水車発電アセンブリに対し、全ての前記水車翼が前記発電用水流に対し、前記回転軸の軸線方向における少なくとも下端側が水底に接しない状態で同時に水没し、他方、前記発電機は全体が水面よりも上方に位置するように浮力を付与する浮力付与部を有し、前記水車発電アセンブリを前記水面に対し浮上形態で支持するものである請求の範囲第１項ないし請求の範囲第８項のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項１４】
前記水車翼は、見かけ比重が水よりも軽い構造体として形成され、前記浮力付与部に兼用されている請求の範囲第１３項記載の水力発電装置。
【請求項１５】
前記水車発電アセンブリは、前記発電機が上面側に取り付けられる発電機取付部を有するとともに、該電機取付部の下方には、該発電機取付部に取り付けられた前記発電機に対し吊り下げ形態に取り付けられた前記水車の周囲を、水流の通過を許容しつつ保護する保護フレームが設けられており、前記浮力付与部は、前記水車とともに該保護フレームも水底に接しないように前記浮力を付与するものである請求の範囲第１４項記載の水力発電装置。
【請求項１６】
前記保護フレームの底部に、前記水車の前記回転軸の下端を回転可能に支持する軸受が設けられている請求の範囲第１５項記載の水力発電装置。
【請求項１７】
前記水面上に浮上形態で配置される前記水車発電アセンブリを、前記水流方向への移動は規制し水位に応じた上下移動は許容するように該水車発電アセンブリを支持する水車発電アセンブリ浮上支持構造部が、前記水流に対して相対移動不能な支持ベースに固定される形で設けられている請求の範囲第１３項ないし請求の範囲第１６項のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項１８】
前記水流は流れ幅方向両側に岸壁を有する水路中に形成されるものであり、
前記水車発電アセンブリ浮上支持構造部は、前記水路の各岸壁を前記支持ベースとする形で両端が支持される支持梁と、該支持梁に対し長手方向途中位置に垂下形態で一体化され、前記水車発電アセンブリを、前記水流方向への移動を規制しつつ水位に応じた上下動をガイドするアセンブリガイド体とを有する請求の範囲第１７項記載の水力発電装置。
【請求項１９】
前記水車支持手段は、前記水車を回転可能に支持するフレームと、そのフレームの高さ方向の中間位置において該フレームを、前記水車が水没して発電を行う発電位置と、その発電位置から上方に回動して該水車が水面から露出する跳上げ位置とに回動可能に支持する軸とを備える請求の範囲第１項ないし請求の範囲第８項のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項２０】
前記水車支持手段は、前記水車を回転可能に支持するフレームと、そのフレームの高さ方向の中間位置において該フレームを、前記水車が水没して発電を行う発電位置と、その発電位置から上方に回動して該水車が水面から露出する跳上げ位置とに回動可能に支持する軸とを備え、さらにそのフレームを前記発電位置に所定の保持力で保持する保持手段を有し、その保持手段の保持力を超える回転モーメントが前記フレームに作用すると、前記フレームが前記発電位置から跳上げ位置に回動する請求の範囲第１項ないし請求の範囲第８項のいずれか１項に記載の水力発電装置。
【請求項２１】
前記水車支持手段には、発電用水流に対し前記水車より上流側に位置して、前記水車の凹湾曲面に対し水流が当たる圧力角を増大させるように水流の向きを変更して該凹湾曲面に導く水流誘導部材が設けられる請求の範囲第２項に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸線が水面と平行になるように水車を配置して水力発電を行なう場合、水車の下部にのみ水流が当たる水車構造が採用されており、河川や水路の流れを用いて発電を行なう場合には、流量や水位調整のための大掛かりな工事が避けがたくなる。こうした工事には多額の費用がかかるばかりでなく、河川周囲の景観破壊を招くおそれもあり、治水に伴う農業や漁業への影響も多々指摘されている。そこで、特許文献１及び２には、水面上に水車を浮上形態で支持し、水位変化に応じて水車を上下動させることにより、水車の回転状態に水位の影響を及びにくくし、ひいては水位や水量と無関係に柔軟に発電可能な水力発電装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特許文献１：特開２００８−２６７３６９号
特許文献２：特開２００８−１６３７８４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１及び特許文献２の水力発電装置では、水車の上部には水流が全く当たらない方式なので、水流エネルギーの水車回転エネルギーへの効率変換、ひいては発電効率がそれほど高くない欠点がある。また、特許文献１では、水車と発電機とを旋回式のアームの両端に取り付け、てこの原理により水車の自重を発電機とバランスさせて浮上させる機構を採用しており、水車自体に作用する浮力がほとんど有効活用されていない問題がある。その結果、発電機の荷重を水車の浮上力に変換するための旋回アームの規模が大きくなり、設置スペースがかさみやすい問題がある。同様に特許文献２の水力発電装置では、水車とは別に浮き（フロート）を設け、その浮力により水車と発電機とを一括して浮上させる構成を採用しているが、水車を重い発電機とともに浮上させるには相当大型の浮きが必要となり、設置スペース上の問題が同様に生じやすい。【０００５】
本発明の課題は、水流エネルギーの水車回転エネルギーへの効率変換が高く、かつ、水車自体に作用する浮力をより効果的に活用することにより、水車と発電機の重量を、よりコンパクトな機構にて効率よく支持できる水力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の水力発電装置は、
発電用水流の水面と交差する（例えば直交する）回転軸周りに複数の水車翼が一体回転可能に配置された水車と、
水面よりも全体が上方に位置する形で水車の回転軸の上端側に取り付けられ、該水車の回転エネルギーを電力変換する発電機と、
水車と発電機とを、全ての水車翼が発電用水流に対し、回転軸の軸線方向における少なくとも下端側が同時に水没するように支持する水車支持手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
発電用水流の水面と交差する（例えば直交する）回転軸周りに複数の水車翼が一体回転可能に配置された水車を、水車支持手段により、全ての水車翼が発電用水流に対し、回転軸の軸線方向における少なくとも下端側が同時に水没するように支持させる。
【０００８】
上記本発明の水力発電装置に構成によると、全ての水車翼が同時に水没する使用形態となる結果、水車全体の水没体積が大幅に増し、水車自体の重量、及び該水車に接続される発電機の重量の少なからぬ部分を、各水車翼に作用する浮力の合計により担うことができる。その結果、水車及び発電機の支持構造部の軽量化及び省スペース化を図ることができ、水力発電装置を設置するに当たってのスペースや建設費を効果的に削減することができる。
【０００９】
上記本発明において前述の水車は、回転軸の軸線と直交する断面において各水車翼が、後方翼面が基準回転方向前方側に引っ込む凹湾曲面とされ、前方翼面が基準回転方向前方側に突出するとともに後方翼面よりも湾曲深さが大きい凸湾曲面とされ、さらに、前方翼面は、湾曲ノーズ部において曲率が極大となり、該湾曲ノーズ部から翼内縁側及び翼外縁側に向けてそれぞれ曲率が減少し、該湾曲ノーズ部から翼外縁に至る第一面の面長が同じく翼内縁に至る第二面の面長よりも大きい流線形状をなし、前方翼面にて基準回転方向前方側から相対水流を受けた場合に、第一面と第二面とは、湾曲ノーズ部から翼外縁に向けて当該第一面に沿って生ずる相対水流の速度が、同じく翼内縁に向けて第二面に沿って生ずる相対水流の速度よりも大きくなるよう、それぞれ高速水流通過面及び低速水流通過面として機能するように形成され、各水車翼にて生ずる、高速水流通過面と低速水流通過面との相対水流の流速差に基づく揚力トルクを、後方翼面側にて水車翼を基準回転方向に回転させる向きに生じさせるようにしたものを使用できる。各水車翼は、前方翼面を上記高速水流通過面及び低速水流通過面が形成された特有形態の湾曲流線型状になっているので、後方翼面側から水流を受ける場合は、該後方翼面をなす凹面にて水流を効率よく受けつつ回転トルクに変換できる。他方、前方翼面側から見て向かい水形態で水流を受ける場合も、高速水流通過面と低速水流通過面との相対水流の流速差に基づく揚力により、水流に逆らって水車を回転させるトルクを発生できる。つまり、上記形状の水車翼で構成した水車は、水車翼が回転軸線に関していずれの側に存在していても、前方翼面側を回転前方側として水車を回転させるトルクを生ずるので、発電用水流中のどの水車翼も各々回転トルクの発生に有効に寄与する結果、水流を水車回転力つまり発電力に変換する効率が劇的に高められ、低流速時の水車の始動性も大幅に向上する。
【００１０】
上記の水車は、基準軸線上の第一位置に回転軸線を一致させる形で配置され、水流を受けて第一方向に回転する第一水車と、基準軸線上にて第一位置よりも下方に設定された第二位置に配置されるとともに、水流を受けて第一水車とは逆方向に回転する第二水車とを有するものとして構成できる。この場合、発電機は、界磁用マグネットが設けられ第一水車及び第二水車の一方と一体回転する第一ロータと、該第一ロータと逆方向に第一水車及び第二水車の他方と一体回転するとともに界磁用マグネットにより励磁される発電用コイルが設けられた第二ロータとを有するものとして構成できる。
【００１１】
上記の構成によると、界磁用マグネットを設けた第一ロータと、発電用コイルを設けたロータとを、同一方向からの水流を受けた場合に互いに逆方向に回転する水車にそれぞれ接続することで、界磁用マグネットと発電用コイルとの相対回転速度を水車回転速度に対して倍速化し、発電効率を高めることができる。また、比較的重量の大きい界磁用マグネットと発電用コイルとが、それぞれ第一ロータ及び第二ロータの形で水車回転軸線周りに集中する結果、一種のフライホイール効果が生じ、流速が一定しない場合でも回転の安定化を図ることができる。さらに、第一ロータ及び第二ロータが上下の水車とともに互いに逆方向に回転するので、水車回転軸への回転ねじれ負荷荷重をキャンセルでき、構造強度上も有利である。そして、前述の通り、この種の発電機は回転トルクがかなり大きいが、上記のごとく水力のトルク変換効率が非常に高い水車構造を採用しているので、高速で安定的に発電機を回転させることができ、発電効率が高い。
【００１２】
この場合、上方に位置する第一水車の回転軸をなす第一回転軸を筒状に形成し、該第一回転軸の上端を発電機の第一ロータ及び第二ロータの一方に一体回転可能に結合する一方、第二水車の回転軸をなす第二回転軸の上端を第一ロータ及び第二ロータの他方に一体回転可能に結合するとともに、該第二回転軸の下端側を筒状の第一回転軸の内部を同軸的に貫通させ、第二水車に一体回転可能に結合する構造を採用することができる。上記の構造では、縦に隣接配置される２つの水車のさらに上方に発電機が配置されるので、上下の水車に作用する浮力により、水車及び発電機の支持構造部のさらなる軽量化及び省スペース化を実現できる。そして、下側に位置する第二水車の回転軸を、上側に位置する第一水車の回転軸の内側を通すことで、互いに逆向きに回転する上下の水車を発電機の第一ロータ及び第二ロータに接続するための構造が大幅に簡略化される。
【００１３】
発電機は、発電用コイルと界磁用マグネットとが回転軸線方向にエアギャップを形成する形で対向するよう、第二ロータにおいて、空芯扁平に構成された複数の発電用コイルが回転軸線周りに各々軸線方向が回転軸線方向と一致する形で配列し、第一ロータにおいて、回転軸線周りに複数の界磁用マグネットが各々回転軸線方向に着磁された形で配列したアキシャルギャップ型発電機として構成することができる。該構成によるとアキシャルギャップ型発電機の採用により、次のような効果を達成することができる。まず、界磁用マグネットと発電用コイルとがアキシャル方向に対向するため、界磁用マグネットが設けられる第一ロータと発電用コイルが設けられる第二ロータとは、ほぼ同じ半径位置に界磁用マグネットと発電用コイルの各重量が集中し、回転軸線周りの慣性モーメントに差が生じにくい。その結果、発電機に接続される２つの水車の回転慣性力にアンバランスを生じにくく、低速回転時の発電特性が安定しやすい。他方、回転軸への回転ねじれ負荷荷重のキャンセル効果が大幅に高められ、構造強度的にも有利に作用する。また、発電用コイルと界磁用マグネットとをいずれも薄型に構成でき、かつ、発電用コイルが空芯型なので、発電装置全体の軽量化に大きく寄与する。さらに、発電用コイルと界磁用マグネットとの荷重がアキシャル方向に比較的集中するので、フライホイール効果が大幅に高められるコイルとマグネットとの界磁反発力がアキシャル方向に発生するので、回転軸ぶれやコギングを生じにくい。
【００１４】
また、第一ロータは、第二ロータの発電用コイルとの対向面に界磁用マグネットが取り付けられる円板状のロータ本体を有し、第二回転軸と分離形成された第一回転軸が該ロータ本体に一体回転可能に結合されている構造とすることができる。円板状のロータ本体に界磁用マグネットを取り付けることで第一ロータの扁平化を図ることができ、フライホイール効果の更なる向上に寄与する。界磁用マグネットは厚さ方向に着磁された扁平永久磁石にて構成するとよい。特に、扁平型磁石でも強磁界を発生できる希土類磁石（例えば、希土類（Ｎｄ，Ｄｙ，Ｐｒ）−Ｆｅ−Ｂ系磁石、あるいは希土類（Ｓｍ）−Ｃｏ系磁石など）を採用することが、小形で高出力の発電機を実現する上で有効である。なお、扁平磁石とは、主表面（着磁面）断面積の平方根をｓとし、厚さ方向寸法をｔとして、ｔ／ｓが１未満（特に、０．５未満）の磁石のことをいう。
【００１５】
また、第一ロータは、第二ロータの発電用コイルに対し、アキシャル方向にてロータ本体と反対側から対向する形で円板状の補助ロータ本体を有し、該補助ロータ本体の発電用コイルとの対向面において、ロータ本体側の界磁用マグネットに対応する位置に、該界磁用マグネットとは逆極性の補助界磁用マグネットが取り付けられた構成とすることができる。この場合、ロータ本体と補助ロータ本体とが外周縁にて第二ロータを周方向に取り囲む周壁部により一体回転可能に連結されてなり、それらロータ本体、周壁部及び補助ロータ本体が軟磁性金属材料からなる界磁ヨークを構成するものとできる。上記のように構成すると、界磁用マグネットと補助界磁用マグネットとの間でアキシャル方向により強力で集中した磁界を発生でき、かつ、ロータ本体、補助ロータ本体及び周壁部が、軟磁性金属材料（例えばパーマロイなど）からなる界磁ヨークを構成することで、漏洩磁界が大幅に減じられ、発電効率を一層高めることができる。このとき、第一ロータは第二ロータを収容するケーシング状の構成となるので、上方に位置する第一水車の筒状の第一回転軸を第一ロータに接続し、第二ロータにつながる第二回転軸は、ケーシング状の第一ロータ及び第一回転軸をそれぞれ貫通する形で、下方に位置する第二水車に接続されるように構成することで、発電機に対する２つの水車の各回転軸の接続構造が簡略化される。
【００１６】
水車翼は、見かけ比重が水よりも軽い構造体として形成すれば、支持すべき全荷重から水車翼の自重を削減されるので、重い発電機を支持するための水車翼浮力の寄与比率を高めることができ、発電装置全体の更なる軽量化に貢献する。具体的には、プラスチックス（多孔質プラスチックスや繊維強化型プラスチックスを概念として含む）により水車翼の全体を中実に構成することも可能であるが、軽量化の効果は、水車翼の外表面部を中空の殻体で構成し、その内部を中空のままとするか、水よりも見かけ比重の小さい充填物で充填する構造とした場合により顕著である。この場合、水中にて水車翼表面に作用する静水圧を十分に支持できるように、上記の殻体はステンレス鋼など、（炭素鋼等よりも良好な）耐食性を有する金属で構成し、その内部を上記充填物で充填した構造を採用することが好適である。充填物は、例えば発泡ウレタンや発泡ポリスチレンなどの発泡樹脂材料を採用できる。この場合、中空の金属殻体を予め用意し、その内部に発泡樹脂を注入・充填する工程を採用することができる。
【００１７】
水車支持手段は、水流に対して相対移動不能な支持ベースに固定され、発電機を水面よりも上方に支持する発電機支持部を有するものとして構成できる。該発電機支持部に支持された発電機に対し水車は、回転軸の上端にて吊り下げ形態に取り付けることができる。発電機に対し水車を吊り下げ形態で設けることで、水車の下端を支持する構造体を水底に設ける必要がなくなり、水底側の設置工事が不要となるので発電装置の建設費及び工期の大幅な削減に寄与する。そして、水車に作用する浮力により発電機の及び水車の自重の一部を支持できるので、発電機支持部の荷重容量を削減でき、軽量化及びコンパクト化に寄与する。特に、水車翼を、見かけ比重が水よりも軽い構造体として形成すれば、水車翼に作用する浮力を専ら発電機（ないし後述の保護フレームなどの周辺部分）の支持力に振り向けることができ、発電機支持部の更なる軽量化ないしコンパクト化に寄与する。
【００１８】
発電用水流としては、河川や用水路、運河などの水路中を流れるものを採用できるほか、海中であれば潮流を利用することも可能である。特に、発電用水流が、流れ幅方向両側に岸壁を有する水路中に形成されるものである場合、発電機支持部は、水路の各岸壁を支持ベースとする形で両端が支持される支持梁と、該支持梁の長手方向途中位置に設けられ発電機が取り付けられる発電機取付部とを有するものとして構成すると、発電機支持部に関しても水中への据付部が発生しなくなり、建設費及び工期の削減に寄与する。そして、前述のごとく、水車に作用する浮力により発電機の支持荷重の一部が担われるので、支持梁に作用する撓み荷重が軽減され、支持梁の軽量化を図ることができる。
【００１９】
発電機取付部の下方には、該発電機取付部に取り付けられた発電機に対し吊り下げ形態に取り付けられた水車の周囲を、水流の通過を許容しつつ保護する保護フレームを設けることができる。このようなる保護フレームを設けることにより、流木などの浮遊物が水車に衝突したり巻き込まれたりする不具合を効果的に低減できる。この場合、その保護フレームの底部に、水車の回転軸の下端を回転可能に支持する軸受を設けておくと、水車の回転軸を水中でより安定に支持することができる。
【００２０】
次に、本発明の水力発電装置においては、水車翼の全体を水没させたときに生じうる浮力が、発電装置全体の重量を上回る場合は、発電装置全体を水中に浮かせたフロート型発電装置として構成することも可能である。具体的には、水車支持手段を、発電機と水車とを一体化した水車発電アセンブリにおいて全ての水車翼が発電用水流に対し回転軸の軸線方向における少なくとも下端側が水底に接しない状態で同時に水没し、他方、発電機は全体が水面よりも上方に位置するように浮力を付与する浮力付与部を有し、水車発電アセンブリを水面に対し浮上形態で支持するものとして構成することができる。このようにすると、水車発電アセンブリが水面上に浮いた形で支持されているので、発電用水流の水位上下に変動した場合でも、水車発電アセンブリの全体が水位に合わせて上下に位置を変え、結果的に水車に当たる水流の断面積を一定に保持できるので、安定した発電が可能になる。また、水車の水没深さが一定になるため、水車に作用する静水圧も一定となり、例えば水位が極度に高くなった場合にも、水車翼に作用する静水圧が過剰となる不具合を防止できる。該構成では、水車翼を、見かけ比重が水よりも軽い構造体として形成することで、これを浮力付与部に兼用することができ、水車発電アセンブリの構造をより簡略化できる。
【００２１】
水車発電アセンブリは、発電機が上面側に取り付けられる発電機取付部を有するとともに、該電機取付部の下方に、該発電機取付部に取り付けられた発電機に対し吊り下げ形態に取り付けられた水車の周囲を、水流の通過を許容しつつ保護する保護フレームを設けることができる。この場合、浮力付与部は、水車とともに該保護フレームも水底に接しないように浮力を付与するように構成できる。保護フレームを設けることで、流木などの浮遊物が水車に衝突したり巻き込まれたりする不具合を効果的に低減できる。また、この場合も、保護フレームの底部に、水車の回転軸の下端を回転可能に支持する軸受を設けることができる。
【００２２】
水面上に浮上形態で配置される水車発電アセンブリは、水流中にて流れ方向の位置は規制したい場合は、水流方向への移動は規制し水位に応じた上下移動は許容するように該水車発電アセンブリを支持する水車発電アセンブリ浮上支持構造部を、水流に対して相対移動不能な支持ベースに固定される形で設けておくとよい。これにより、水車発電アセンブリを水流中の定点に保持しつつ、水位変動の影響を受けにくい安定した発電を実施することができる。例えば、水流が流れ幅方向両側に岸壁を有する水路中に形成されるものである場合、水車発電アセンブリ浮上支持構造部は、水路の各岸壁を支持ベースとする形で両端が支持される支持梁と、該支持梁に対し長手方向途中位置に垂下形態で一体化され、水車発電アセンブリを、水流方向への移動を規制しつつ水位に応じた上下動をガイドするアセンブリガイド体とを有するものとして構成することができる。このようなアセンブリガイド体を設けることで、水車発電アセンブリの上下動をスムーズにガイドすることができる。アセンブリガイド体は、例えば水深方向に伸びるガイドフレームを有するものとして形成でき、水車発電アセンブリ側には、該ガイドフレームに沿って上下に摺動可能に設けられる摺動フレームを設けることができる。そして、ガイドフレーム及び摺動フレームの一方に、他方の摺動面に摺接しつつ転動するガイドローラーを設けておくと、水車発電アセンブリのガイドフレームに沿った摺動をよりスムーズに誘導できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の水力発電装置の第一実施形態を示す概略断面模式図。
【図２】図１の水力発電装置の具体的な設置例を示す斜視図。
【図３】図１の水力発電装置の要部を示す斜視図。
【図４】図１の水力発電装置に採用される水車の平面図。
【図５】図４の水車に使用する水車翼を拡大して示す断面図。
【図６】図３の装置の三面図。
【図７】図１の水力発電装置に採用される発電機の断面図。
【図８】図７の第一ロータにおける界磁用マグネットの配置例を示す図。
【図９】図７の第二ロータにおける発電用コイルの配置例を示す図。
【図１０】本発明の水力発電装置の第二実施形態を示す断面模式図。
【図１１】ガイドフレームを用いて水車発電アセンブリをフロート形態に支持する構造の詳細を示す説明図。
【図１２】図１０の水力発電装置の作用説明図。
【図１３】図１０の水力発電装置を潮力発電に適用した例を示す模式図。
【図１４】図１の水力発電装置を潮力発電に適用した例を示す模式図。
【図１５】本発明のさらに別の実施例（第三実施形態）を示す全体的な外観図。
【図１６】図１５の平面図。
【図１７】図１６の側面図。
【図１８Ａ】跳ね上げを制御する位置保持手段（トルクリミッタ）の一例を示す斜視図。
【図１８Ｂ】その部分をさらに詳細に示す斜視図。
【図１９】図１８Ｂの要部断面図。
【図２０】図１７の要部を示す斜視図。
【図２１】図１７の要部を示す正面図。
【図２２】図２１の側面図。
【図２３】図１７における作用説明図。
【図２４】図２３とは異なる例を示す概念図。
【図２５】水流誘導部材を含む横断面図。
【図２６】第一及び第二水車の軸受構造を示す縦断面図。
【発明の実施の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の水力発電装置の一実施形態を示すものである。該水力発電装置１は、発電用水流ＷＦの水面ＷＬと交差（直交が望ましいが、厳密に直交していることは必須ではなく、例えば水面法線に対して１０゜程度まで傾いていてもよい）する回転軸５０，５２周りに複数の水車翼２２が一体回転可能に配置された水車２０（Ａ），２０（Ｂ）と、水面ＷＬよりも全体が上方に位置する形で水車２０の回転軸５０，５２の上端側に取り付けられ、該水車２０の回転エネルギーを電力変換する発電機４０と、水車２０と発電機４０とを、全ての水車翼２２が発電用水流ＷＦに対し、回転軸５０，５２の軸線方向における少なくとも下端側が同時に水没するように支持する水車支持手段４１，４２とを有する。
【００２５】
水車支持手段は、水流ＷＦに対して相対移動不能な支持ベース２０２に固定され、発電機４０を水面ＷＬよりも上方に支持する発電機支持部４１を有する。該発電機支持部４１に支持された発電機４０に対し水車２０（Ａ），２０（Ｂ）は吊り下げ形態に取り付けられている。この実施形態では、流れ幅方向両側に岸壁２０２を有する用水路２０１中の水流を発電用水流ＷＦとして利用する。発電機支持部４１は、用水路２０１の各岸壁２０２を支持ベースとする形で両端が支持される支持梁４２と、該支持梁４２の長手方向途中位置に設けられ発電機４０が取り付けられる発電機取付部４１とを有する。
【００２６】
図２は、上記の水力発電装置１を複数、用水路２０１の流れ幅方向に並列配置した構成を示している。用水路２０１の流れ方向中央位置には流れ方向に沿って隔壁２０３が形成され、各水力発電装置１の支持梁４２の両端は、左右の岸壁２０２と該隔壁２０３とにそれぞれ固定されている。
【００２７】
図３は、水力発電装置１の外観をやや拡大して示す斜視図であり、図６はその三面図である。発電機取付部４１の下方には、該発電機取付部４１に取り付けられた発電機４０に対し吊り下げ形態に取り付けられた水車２０の周囲を、水流ＷＦの通過を許容しつつ保護する保護フレーム１０が設けられている。発電機取付部４１は方形板状であり、１対の支持梁４２が、該発電機取付部４１の水流と直交する対向辺を形成する各側面に沿って互いに平行に取り付けられている。保護フレーム１０は、方形の底面部１２３と、該底面部１２３の４隅に下端が結合されそれぞれ垂直上方に延びて上端が発電機取付部４１に結合される支柱部１２１と、各支柱部１２１間を水平方向に連結する複数の水平桟１２２とを有する。なお、流れ方向下流側に位置する１対の支柱部１２１，１２１の長手方向中間位置からは、該下流側に向けそれぞれ斜め上方に延びて、発電機取付部４１の下流側縁に上端が結合される筋交い状の補強梁４３，４３が設けられている。
【００２８】
次に、水力発電装置１において水車２０は、基準軸線上の第一位置に回転軸線Ｍを一致させる形で配置され、水流ＷＦを受けて第一方向に回転する第一水車２０（Ａ）と、基準軸線上にて第一位置よりも下方に設定された第二位置に配置されるとともに、水流ＷＦを受けて第一水車２０（Ａ）とは逆方向に回転する第二水車２０（Ｂ）とを有する。第一水車２０（Ａ）及び第二水車２０（Ｂ）は、各々回転軸線Ｍと直交する向きに受水する水車翼２２を該回転軸線Ｍ周りに複数配置したもののであり、いずれも、４枚（３枚でもよい）の水車翼２２及び上下２枚の翼支持体２４を備えている。第二水車２０（Ｂ）は、第一水車２０（Ａ）を仮想鉛直面に関して鏡像反転した立体形状を有している点を除き、第一水車２０（Ａ）と同様に構成されているので、以下、水車構造の要部を第一水車２０（Ａ）側で代表させて説明する。
【００２９】
まず、図４（平面図）に示すように、各水車翼２２の回転軸線Ｍ周りに、基準回転方向Ｘ（水力を受けたときの、水車の実際の回転方向を示し、第一水車２０（Ａ）及び第二水車２０（Ｂ）とで互いに逆となる）を定める。この基準回転方向Ｘにおいて、前方側に位置する翼面を前方翼面２６とし、同じく後方側に位置する翼面を後方翼面２８とし、また、各水車翼２２の回転軸線Ｍに近い側の端縁を翼内縁ＥＬとし、同じく遠い側の端縁を翼外縁ＥＨと定義する。回転軸線Ｍの周りにおいて複数の水車翼２２は、翼内縁ＥＬが該回転軸線Ｍから半径方向に一定距離だけ離れて位置するよう翼支持体２４により一体回転可能に支持される。また、回転軸線Ｍと直交する断面において、各水車翼２２は、後方翼面２８が基準回転方向Ｘ前方側に引っ込む凹湾曲面とされ、前方翼面２６が基準回転方向Ｘ前方側に突出するとともに後方翼面２８よりも湾曲深さが大きい凸湾曲面とされる。
【００３０】
前方翼面２６は、湾曲ノーズ部２６３において曲率が極大となり、該湾曲ノーズ部２６３から翼内縁ＥＬ側及び翼外縁ＥＨ側に向けてそれぞれ曲率が減少するとともに、該湾曲ノーズ部２６３から翼外縁ＥＨに至る第一面の面長が同じく翼内縁ＥＬに至る第二面の面長よりも大きい流線形状をなす。前方翼面２６にて基準回転方向Ｘ前方側から相対水流を受けた場合に、第一面と第二面とは、湾曲ノーズ部２６３から翼外縁ＥＨに向けて当該第一面に沿って生ずる相対水流ＷＰの速度が、同じく翼内縁ＥＬに向けて第二面に沿って生ずる相対水流ＷＳの速度よりも大きくなるよう、それぞれ高速水流通過面２６１及び低速水流通過面２６２として機能する。
【００３１】
図５に示すように、それら高速水流通過面２６１と低速水流通過面２６２との相対水流の流速差に基づく揚力トルクが、後方翼面２８側にて水車翼２２を基準回転方向Ｘに回転させる向きに生じる。すなわち、前方翼面２６側から見て向かい水形態で水流ＷＦを受ける場合は、高速水流通過面２６１と低速水流通過面２６２との相対水流の流速差に基づく揚力により、水流ＷＦに逆らって水車２０を回転させるトルクを発生できる。他方、軸線Ｍに関して１８０゜反対側の水車翼２２は後方翼面２８側から水流ＷＦを受ける形となるが、該後方翼面２８は凹面状に形成されているので水流ＷＦを効率よく受けることができ、回転トルクに効率よく変換できる。つまり、上記形状の水車翼２２で構成した水車２０は、水車翼２２が回転軸線Ｍに関していずれの側に存在していても、前方翼面２６側を回転前方側として水車２０を回転させるトルクを生ずるので、発電用水流ＷＦ中のどの水車翼２２も各々回転トルクの発生に有効に寄与する結果、水流ＷＦを水車２０回転力ひいては発電力に変換する効率が劇的に高められ、低流速時の水車２０の始動性も大幅に向上する。
【００３２】
なお、水車翼２２は、鉛直方向からみた断面は、どの水平断面位置でも同様の形状とされている。前方翼面２６及び後方翼面２８はいずれも湾曲形状に加工された金属板、例えばステンレス鋼板からなる翼プレートにより形成され中空形状となっている。また、その内部は、発泡ウレタンないし発泡ポリスチレンなどの樹脂充填材料２９により充填されている。他方、水車翼２２の上端面及び下端面は、同じく金属板（例えば、ステンレス鋼板）からなる蓋プレート２７で構成され、その周縁が前方翼面２６ないし後方翼面２８をなす金属板の側縁に溶接結合され、樹脂充填材料により充填された内部空間を密封閉鎖している。このように構成された水車翼２２の全体の見かけ密度（比重）は水よりも小さくなっている（例えば、０．２〜０．９ｇ／ｃｍ３）。
【００３３】
図４に戻り、高速水流通過面２６１の平均曲率は低速水流通過面２６２の平均曲率よりも大きく設定され、高速水流通過面２６１の受水断面積は低速水流通過面２６２よりも大きくなっている。また、回転軸線Ｍと直交する断面において、該回転軸線Ｍと翼内縁ＥＬとを繋ぐ直線を第一直線Ｃ１として、回転軸線Ｍを通って前方翼面２６に外接する第二直線Ｃ２と第一直線Ｃ１とのなす第一角度θ１が、回転軸線Ｍを通って翼外縁ＥＨを通る第三直線Ｃ３と第一直線Ｃ１とのなす第二角度θ２よりも小さく設定されている。また、回転軸線Ｍと直交する断面において、各水車翼２２は、後方翼面２８の平均曲率が前方翼面２６の平均曲率よりも小さく設定され、低速水流通過面２６２を通過した水流が後方翼面２８側で渦流を形成しにくくしてある。また、水車翼２２は、翼内縁ＥＬと翼外縁ＥＨとが、各々湾曲形態の前方翼面２６と後方翼面２８との交線をなす稜線部として形成されている。また、翼支持体２４は、各水車翼２２に対し回転軸線Ｍ方向の端面にて図示しないねじやリベットなどの締結手段により結合され、水車２０としてこれを一体化するものである。
【００３４】
次に図６に示すように、第一水車２０（Ａ）の回転軸をなす第一回転軸５２は筒状に形成され、下端が第一水車２０（Ａ）（の翼支持体２４）に結合される一方、上端が発電機４０に結合されている。また、第二水車２０（Ｂ）の回転軸をなす第二回転軸５０は、下端が第二水車２０（Ｂ）（の翼支持体２４）に結合される一方、上端側が筒状の第一回転軸５２の内部を同軸的に貫通した後、上端が発電機４０に結合されている。発電機４０は板状の発電機取付部４１の上面に固定されており、第一回転軸５２及び第二回転軸５０は、それぞれ発電機取付部４１を貫通して各水車２０（Ａ），２０（Ｂ）に結合されている。
【００３５】
図７は、発電機４０の内部を拡大して示すもので、界磁用マグネット１０１が設けられた第一ロータ２４１と、該第一ロータ２４１と逆方向に第二回転入力部３０と一体回転するとともに界磁用マグネット１０１により励磁される発電用コイル１０２が設けられた第二ロータ２４２とを備える。そして、発電用コイル１０２と界磁用マグネット１０１とが回転軸線Ｍ方向にエアギャップを形成する形で対向するよう、第二ロータ２４２において、空芯扁平に構成された複数の発電用コイル１０２が回転軸線Ｍ周りに各々軸線方向が回転軸線Ｍ方向と一致する形で配列し、第一ロータ２４１において、回転軸線Ｍ周りに複数の界磁用マグネット１０１が各々回転軸線Ｍ方向に着磁された形で配列したアキシャルギャップ型発電機４０として構成されている。第一水車２０（Ａ）の第一回転軸５２は第一ロータ２４１に、第二水車２０（Ｂ）の第二回転軸５０は第二ロータ２４２にそれぞれ接続されている。
【００３６】
第一ロータ２４１は、第二ロータ２４２の発電用コイル１０２との対向面に界磁用マグネット１０１が取り付けられる円板状のロータ本体１０３を有し、第二回転軸５２と分離形成された第一回転軸５０が該ロータ本体１０３に接着により一体回転可能に結合されている。界磁用マグネット１０１は厚さ方向に着磁された扁平永久磁石、具体的には、希土類（Ｎｄ，Ｄｙ，Ｐｒ）−Ｆｅ−Ｂ系磁石にて構成されており、図８に示すように、回転周方向に隣接するもの同士の着磁極性が交互に反転してなる。また、図９に示すように、第二ロータ２４２は第二回転軸５２が一体回転可能に固着されたコイル支持枠１０６を有し、該コイル支持枠１０６の周方向に複数形成されたコイル装着窓１３０に、前述の空芯扁平の発電用コイル１０２が、コイル軸線方向（キャビティ開口方向）が、アキシャル方向を向くように、かつ隣接するコイルの巻線方向が互いに逆となるように組み付けられている。
【００３７】
図７に戻り、第一ロータ２４１は、第二ロータ２４２の発電用コイル１０２に対し、アキシャル方向にてロータ本体１０３と反対側から対向する形で円板状の補助ロータ本体１０４を有する。該補助ロータ本体１０４の発電用コイル１０２との対向面において、ロータ本体１０３側の界磁用マグネット１０１に対応する位置に、該界磁用マグネット１０１とは逆方向に着磁された複数の補助界磁用マグネット１０５が取り付けられている（取付形態は、図８に示す界磁用マグネット１０２と同じであるが、界磁用マグネット１０２の発電用コイル１０２に面する着磁面がＮ（Ｓ）であれば、対応する補助界磁用マグネット１０５の着磁面はＳ（Ｎ）となる）。
【００３８】
発電機４０は、第一ロータ２４１及び第二ロータ２４２を収容するケース（ケース本体４０Ｃとケース底部４０Ｂとを有する）を備える。ケース本体４０Ｃの頂部下面からは、回転軸線Ｍを取り囲む形で筒状の補助軸受スリーブ１２２が突出形成され、その内側に補助軸受１２４が配置されている。一方、ケース底部４０Ｂの上面からは回転軸線Ｍを取り囲む形で筒状の補助軸受スリーブ１２３が突出形成され、その内側に補助軸受１２４が配置されている。
【００３９】
ロータ本体１０３と補助ロータ本体１０４とは、外周縁にて第二ロータ２４２を周方向に取り囲む周壁部１０６により一体回転可能に連結されている。そして、それらロータ本体１０３、周壁部１０６及び補助ロータ本体１０４が軟磁性金属材料（本実施形態では、パーマロイ）からなる界磁ヨークを構成する。ロータ本体１０３の第二ロータ２４２に面しているのと反対側の主表面において回転軸線Ｍを取り囲む形で筒状の第一軸受スリーブ１０７が上向きに突出形成されている。また、補助ロータ本体１０４の第二ロータ２４２に面しているのと反対側の主表面におは筒状の第二軸受スリーブ１０９が下向きに突出形成される。
【００４０】
第二回転軸５２は第二軸受スリーブ１０９、第二ロータ２４２及び第一軸受スリーブ１０７を貫通してその先端部が補助軸受スリーブ１２２内に入り込み、補助軸受１２４により回転可能に支持されている。アキシャル方向における第二ロータ２４２の両側にて、それら第一軸受スリーブ１０７及び第二軸受スリーブ１０９と第二回転軸５２との間には、第一ロータ２４１を第二ロータ２４２に対し、両者の相対回転摺動を許容した形で支持させる主軸受１１０が配置される。第一ロータ２４１は、前述の界磁ヨーク部分、第一軸受スリーブ１０７及び第二軸受スリーブ１０９により第二ロータ２４２、ひいては発電機４０の要部をなす界磁用マグネット１０１及び発電用コイル１０２を包み込む形状となっており、回転摺動部分が主軸受１１０により封止されるので、外部から水滴や異物等が発電機４０の要部に侵入することが抑制されている。
【００４１】
第二軸受スリーブ１０９と補助軸受スリーブ１２２との間にて、第二回転軸５０の表面には、複数の発電用コイル１０２に各々つながるスリップリング１３６が設けられており、第一回転軸５０上にて該スリップリング１３６上を摺動するブラシ１３５を介し、発電用コイル１０２からの発電出力が取り出される。他方、第二回転軸５２の第二軸受スリーブ１０９よりも下方に位置する部分が該補助軸受１２４に支持されつつ下向きに貫通形態で延びている。
【００４２】
次に、本実施形態の水力発電装置１の動作について説明する。
図１に示すように、第一水車２０（Ａ）と第二水車２０（Ｂ）とは、保護フレーム１０とともに用水路２０１中の発電用水流ＷＦ中に配置される。このとき、第一水車２０（Ａ）と第二水車２０（Ｂ）とは、その全体が用水路２０１の平均的な水位ＷＬよりも下に位置するように水深方向の設置位置が調整される。すでに説明したごとく、上記の水車翼２２で構成した各水車２０（Ａ），２０（Ｂ）は、その全体が水没するとともに、水流中にて水車翼２２が回転軸線Ｍに関していずれの側に存在していても、前方翼面２６側を回転前方側として水車２０を回転させるトルクを生ずるので、水流ＷＦを水車２０回転力つまり発電力に変換する効率が大幅に高められ、低流速時の水車２０の始動性も大幅に向上する。
【００４３】
また、いずれの水車２０（Ａ）、２０（Ｂ）も、全ての水車翼２２が同時に水没する使用形態となる結果、水車２０全体の水没体積が大幅に増し、水車２０自体の重量、及び該水車２０に接続される発電機４０の重量の少なからぬ部分を、各水車翼２２に作用する浮力の合計により担うことができる。その結果、水車２０及び発電機４０の支持構造部の軽量化及び省スペース化を図ることができ、水力発電装置１を設置する際のスペースや建設費を効果的に削減することができる。
【００４４】
具体的には、用水路２０１の岸壁２０２を支持ベースとして支持梁４２の両端を支持させ、その長手方向途中位置に設けた発電機取付部４１に発電機４０を取り付けるとともに、該発電機支持部４１に支持された発電機４０に対し水車２０を、回転軸５０，５２の上端にて吊り下げ形態に取り付けた構造を採用している。支持梁４２には、発電機４０と水車２０（Ａ）、２０（Ｂ）との重量がたわみ荷重として付加されるが、水車２０（Ａ）、２０（Ｂ）が水中に没して浮力を受けるため、支持梁４２に作用する荷重の少なからぬ部分を相殺することができる。その結果、支持梁４２は、曲げ剛さの小さい構造であっても発電機４０と水車２０（Ａ）、２０（Ｂ）とを十分に支持でき、その軽量化を図ることができる。また、水車翼２２は、図５に示す構造により、見かけ比重が水よりも軽い構造体として形成されていることから、発電装置全体の更なる軽量化が図られている。
【００４５】
また、上下の水車２０（Ａ），２０（Ｂ）とは水流を受けて互いに逆方向に回転するので、図７において発電機４０の第一ロータ２４１と第二ロータ２４２とが流速に対応して互いに逆方向に回転し、片方が固定となる場合と比較して倍のロータ間相対回転速度が得られ、発電効率が向上する。また、上記のごとく発電機４０において、界磁用マグネット１０１と発電用コイル１０２とがアキシャル方向に対向するため、界磁用マグネット１０１が設けられる第一ロータ２４１と発電用コイル１０２が設けられる第二ロータ２４２とは、ほぼ同じ半径位置に界磁用マグネット１０１と発電用コイル１０２の各重量が集中し、回転軸線Ｍ周りの慣性モーメントに差が生じにくくなる。その結果、上下の水車の回転慣性力にアンバランスを生じにくく、低速回転時の発電特性が安定しやすい。また、回転軸５０，５２への回転ねじれ負荷荷重のキャンセル効果も大幅に高められ、構造強度的にも有利に作用する。さらに、発電用コイル１０２と界磁用マグネット１０１とをいずれも薄型に構成でき、かつ、発電用コイル１０２が空芯型なので、水力発電装置１全体の軽量化に大きく寄与する。発電用コイル１０２と界磁用マグネット１０１との荷重はアキシャル方向に比較的集中するので、フライホイール効果が大幅に高められる。その結果、強水時等における回転軸ぶれも効果的に抑制できる。コイルとマグネットとの界磁反発力がアキシャル方向に発生するので、回転軸ぶれやコギングを生じにくい。さらに、発電用コイル１０２が空芯型なので、渦電流損失が小さく発電効率も良好である。また、発電機４０の発熱も抑制される。
【００４６】
また、上側の水車２０（Ａ）につながる第一回転軸５２を中空にし、下側の水車２０（Ｂ）につながる第二回転軸５０を、第一回転軸５２の内側を同軸的に通す形で設けることで、互いに逆方向に回転する２つの水車２０（Ａ），２０（Ｂ）を発電機４０のロータ４１，４２に直結でき、きわめて簡便な機構により双方向回転型の発電装置が実現している。また、水車２０（Ａ），２０（Ｂ）に作用する重力が、発電機４０に対し同軸的かつ下向きに作用するので、水流を受けて回転する際の復元力の発生とも相俟って、回転軸ぶれ等が一層生じにくく耐久性に優れた構造となっている。
【００４７】
次に、本発明の水力発電装置は、各水車翼２２を、図５に示すごとく金属殻体２２Ｓと多孔質の樹脂充填物２９にて構成し、見かけ比重を水よりも小さくすることで、水車２０（Ａ），２０（Ｂ）の全体を水没させたときに生じうる浮力を、発電装置全体の重量を上回るように設計することができる。この場合、発電装置の全体を水中に浮かせたフロート型発電装置として構成することが可能となる。
【００４８】
図１０は、その具体的は構成例を示すものである（図６の水力発電装置と共通の要素にしては、同一の符号を付与している）。該水力発電装置１の構成では、発電機４０と水車２０（Ａ），２０（Ｂ）とが、水中にフロート保持される一体の水車発電アセンブリ３００を形成している。具体的には、各水車翼２２は、水車２０（Ａ），２０（Ｂ）の双方が水面ＷＬよりも下に没し、発電機４０は全体が水面ＷＬよりも上方に位置するように浮力を付与する浮力付与部に兼用されている。下側の第二水車２０（Ｂ）の下端は水底に接することなく、浮き上がった状態を保持している。また、水車が上下に二つ設けられていることは、浮力源となる水車翼２２の枚数が増え、発電装置の全体をフロート保持させる観点において有利であるといえる。
【００４９】
水車発電アセンブリ３００は、発電機４０が上面側に取り付けられる発電機取付部４１を有し、その上面に発電機４０が取り付けられるとともに、その下方に水車２０（Ａ），２０（Ｂ）が吊り下げられている。水車２０（Ａ），２０（Ｂ）の周囲は、水流ＷＦの通過を許容しつつ保護する保護フレーム１０が設けられている。また、保護フレーム１０の底部には、第二水車２０（Ｂ）の第二回転軸５０の下端を回転可能に支持する軸受１３６が設けられている。なお、発電機取付部４１は、金属板金等により中空（ないし、その内部を多孔質の樹脂充填物等で充填した構造）に形成することで、見かけ比重を縮小すること（例えば、水よりも小さくすること）が可能である。このようにすれば、水車発電アセンブリ３００を浮上させるための浮力として発電機取付部４１からの寄与も有効に活用することが可能となる。
【００５０】
また、図１０の構成では、水車発電アセンブリ３００を、水流ＷＦ中にて流れ方向の位置は規制しつつ、水流ＷＦ方向への移動は規制し水位に応じた上下移動は許容するように該水車発電アセンブリ３００を支持する水車発電アセンブリ浮上支持構造部３０１が設けられている。具体的には、車発電アセンブリ浮上支持構造部３０１は、用水路２０１の各岸壁２０２を支持ベースとする形で両端が支持される支持梁４２と、該支持梁４２に対し長手方向途中位置に垂下形態で一体化され、水車発電アセンブリ３００を、水流ＷＦ方向への移動を規制しつつ水位に応じた上下動をガイドするアセンブリガイド体１４０とを有する。
【００５１】
アセンブリガイド体は、水深方向に伸びるガイドフレーム１４０として構成されている。ガイドフレーム１４０は方形の底面部１４２を有し、該底面部１４２の４隅に下端が結合されそれぞれ垂直上方に延び、上端が支持梁４２に結合される支柱部１４１を有する（各支柱部１４１間を水平方向に連結する複数の水平桟を設けてもよい）。一方、水車発電アセンブリ３００側には、該ガイドフレーム１４０に沿って上下に摺動可能に設けられる摺動フレーム３１０が設けられている。摺動フレーム３１０は、方形の底面部１２３と、該底面部１２３の４隅に下端が結合されそれぞれ垂直上方に延びて上端が発電機取付部４１に結合される支柱部１２１と、各支柱部１２１間を水平方向に連結する複数の水平桟１２２とを有し、ガイドフレーム１４０の内側に上下に摺動可能に挿入される。摺動フレーム３１０の各支柱部１２１には、ガイドフレーム１４０側の対応する支柱部１４１の内面を摺動面として、摺動フレーム３１０の上下動に伴い転動するガイドローラー１３１が、上下方向に所定の間隔で複数取り付けられている。
【００５２】
図１１に示すように、ガイドフレーム１４０の支柱部１４１は角柱状（Ｌ字状であってもよい）に形成され、他方、摺動フレーム３１０の支柱部１４１は、方形断面を有するガイドフレーム１４０の角部に対向するＬ字状断面を有するものとして形成されている。支柱部１４１の各側面には枠状のローラー支持部１３１Ｆが、その基端部に一体形成された取付ベース１３１Ｂにて図示しないボルト等により締結固定されており、該ローラー支持部Ｆにガイドローラー１３１が回転可能に支持されている。
【００５３】
図１２に示すように、該構成では、水車発電アセンブリ３００が水面ＷＬ上に浮いた形で支持されているので、発電用水流ＷＦの水面ＷＬが上下に変動した場合、水車発電アセンブリ３００の全体が水位に合わせて上下に位置を変え、結果的に水車２０（Ａ），２０（Ｂ）は、水面ＷＬからの水没深さを一定に保った状態で常に水没した状態を維持する。その結果、水位が低下した場合も、上側の第一水車２０（Ａ）が水面から上方に露出して受ける水量が不足し発電効率が低下する、といった不具合を生じにくい。また、各水車２０（Ａ），２０（Ｂ）の水没深さが一定になるため、各水車翼２２に作用する静水圧も一定となり、例えば水位が極度に高くなった場合にも、水車翼２２に過剰な静水圧が付加される心配がない。
【００５４】
さらに、水車発電アセンブリ３００は、水車発電アセンブリ浮上支持構造部３０１から力学的に完全に分離されており、水車発電アセンブリ３００の重量負荷が水車発電アセンブリ浮上支持構造部３０１に全く及ばない構造になっているので、水車発電アセンブリ浮上支持構造部３０１の支持梁４２は大幅な軽量化を図ることができる。
【００５５】
水車発電アセンブリ３００は摺動フレーム３１０を介して、水流ＷＦに対し固定されたガイドフレーム１４０内を上下動するので、水流ＷＦ中で水車発電アセンブリ３００が流され、水車２０（Ａ），２０（Ｂ）に対する水流ＷＦの相対流速が減少する不具合が生じない。
【００５６】
なお、上記の本発明の水力発電装置の実施形態は、用水路内に装置を設置する場合を例にとって説明したが、装置の設置対象は用水路に限らず河川であってもよいし、海中に設置すれば、潮流を発電用水流として利用する、いわゆる潮力発電にも利用が可能である。この場合、図１３に示すように、支持ベース１２０２，１２０２は海底に設置されることになり、該支持ベース１２０２，１２０２に支柱１２０３，１２０３を立設するとともに、該支柱１２０３，１２０３に図３あるいは図１０の支持梁４２を架設すればよい（該構造は、支持梁を１スパンで架設するのが困難な、川幅の広い河川に本発明の水力発電装置を設置する場合にも採用できる）。なお、図１３では、図１２と同様に支持梁４２にガイドフレーム１４０を懸架し、該ガイドフレーム１４０内にて水車発電アセンブリ３００を水中に浮かせて支持させる実施形態となっているが、図１４に示すごとく、図１と同様に、支持梁４２にモータ支持部４１を支持させる構造としてももちろんよい。
【００５７】
さらに別の実施例を説明する。なお、図１から図１４に示した実施例と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略する。この実施例の水力発電装置４００は、図１７に示すように、位置固定の軸４０１（通常は水平軸）を支点として跳ね上げ回動（ほぼ垂直面内における９０°程度の回転）が可能となっている。図１５及び図１６に示すように、河川の流れ（水流）Ｆとほぼ直交するように前述の軸４０１がほぼ水平に配置され、この軸４０１の一端は河川又は水路の幅方向に延びる管理用桟橋４０２上に軸受４０３を介して支持され、他端は河川又は水路の一方の川岸又は水路壁の上面に軸受４０４を介して支持されている。図１７に示すように、この軸４０１と該軸４０１と共に水車支持手段を構成するフレーム４０５とは一体的に連結され、さらにこの軸４０１には、その半径方向に延びるアーム４０６が固定され、アーム４０６はワイヤ４０７を介して川岸又は水路壁の上面に設置されたウインチ４０８に接続されている。
【００５８】
なお、図１５及び図１６に示すように、この水力発電装置４００で生じる電力は電気制御盤４０９を介して街路灯４１０に供給され、街路４１１の夜間照明として利用することができる。そのような通電路が構成されるように配線ケーブル４１１が取り回される。図１７に示すように、フレーム４０５を回転可能に支持する軸４０１を間にして、下側に一定方向の水流に対し互いに逆方向に回転する２個の水車２０（すなわち第一水車２０（Ａ）、第２水車２０（Ｂ））が設けられ、反対側（上側）に発電機４０が設けられ、この発電機４０が跳ね上げ方式における一種のウエイトとして機能するようになっている。
【００５９】
各水車２０は見かけ比重が水より小さくされ、これら水車２０を水没させたときに生ずる浮力並びに水流の力により、フレーム４０５には、図１７において時計方向の回転モーメントが生じ、さらに上部に設けられた発電機がウエイトとして機能するため、一定角度時計方向にフレーム４０５が回転すると、それによっても時計方向の回転モーメントが生じる。また、軸４０１の下側には通常の水位では水流に接しない位置に、水位跳上げセンサプレート４１３がフレーム４０５に固定されている。このプレート４１３は、２個の水車２０と軸４０１との間においてフレーム４０５に、図２２にも示すように、上側より下側のほうが水流Ｆに対して先行するように下向きに傾斜しており、このプレート４１３が水没するような高水位の水流Ｆを受けることにより、フレーム４０５に対し図中時計回りの回転モーメントを生じさせるものである。
【００６０】
また、図２１に示すように、このプレート４１３は、フレーム４０５の中心線に対して左右対称に所定の幅で延びている。そして、以上のような水力発電装置４００は、図１７に示すほぼ垂直位置（発電位置）に通常は保持手段によって保持される。例えば、図１８Ａに示すように、軸４０１の一方の端部を支持する軸受４０３は、軸４０１が回転可能に嵌合するスリーブ部４１４を一体的に備え、このスリーブ部４１４に負荷調整バルブ（負荷調整ボルト）４１５がトルクリミッタとして設けられ、この保持手段としてのボルト４１５がスリーブ部４１４に形成されたねじ孔を介して軸４０１の外周面に締め込まれることにより、そのボルト４１５と軸４０１との摩擦力によって、軸４０１の回転位置が図１７に示す水力発電装置４００の垂直位置に対応する位相に保持される。
【００６１】
図１８及び図１９に示すように、軸４０１にはその円周方向にキー溝４１６（逃がし溝）が形成されており、軸４０１が図中時計方向の回転トルクを受けて微小角度回転すると、ボルト４１５がキー溝４１６と対応する位置関係となり、そのボルト４１５の軸４０１に対する保持力は消滅し、図１７においてフレーム４０５は２個の水車２０の浮力と水流の力、並びに上部の発電機４０によるウエイトの作用により図１７において時計方向の回転モーメントを生じ上方へ跳ね上げられる。この際、ウインチ４０８はワイヤ４０７を巻き戻してその跳ね上げを許容する。この状態で各水車２０や発電機４０のメンテナンス等を行うことができる。また、激流の際等にこの水力発電装置４００の破損を防止する。あるいは、２個の水車２０に異物が付着して水流に対する抵抗が大きくなった場合も、この水力発電装置４００が跳ね上げられ破損を防止する。さらには、そうした跳ね上げにより水流に対する両水車２０の抵抗が解消されるから、水流を妨げない効果も生じる。
【００６２】
また、大雨、洪水の際に水位が増し、水位跳上げセンサプレート４１３が水没した状態でこのプレート４１３に水流が作用すると（図２３も参照）、図１７においてフレーム４０５に時計方向の回転モーメントを生じさせるため、両水車２０の浮力、並びに水流の力、さらには発電機４０（ウエイト）の作用ともあいまって一層大きな跳ね上げ方向の回転モーメントが生じ、増水時における水力発電装置４００の跳ね上げによりその破損の防止も達成される。なお、例えば図１６等において跳ね上げ状態の水力発電装置４００を軸４０１に沿ってその軸方向に移動（摺動）するように構成すれば、水力発電装置４００を岸側（軸受４０４側）に引き寄せてメンテナンスや必要な処理を行うことができる。
【００６３】
図１７において跳ね上げ状態の水力発電装置４００を垂直状態の発電位置に復帰させるには、ウインチ４０８によりワイヤ４０７を巻き上げ、アーム４０６を介してフレーム４０５を図中反時計方向へ回動させ、両水車２０を水流に対して正対するように水没させた発電位置に位置させ、その位置を保持するために図１９等の負荷調整バルブ（ボルト）４１５を所定の荷重で締め込めばよい。なお、図１８〜図１９に示す固定バルブ４１７をスリーブ部４１４に形成されたねじ孔を介して軸４０１の外周面に締め込むことにより、軸４０１を固定状態に維持し、水力発電装置４００を水流や異物の如何にかかわらずほぼ垂直な発電位置に維持することも可能である。
【００６４】
以上の実施例での発明は、要するに、水流に対して互いに逆方向（双方向）に回転する水車を支持する支持手段としてのフレームが、支点となる軸の周りに、両水車が水没状態の発電位置と、それから跳ね上げられた跳ね上げ位置との間で回動可能に支持され、通常は保持手段によって発電位置に保持される。そして、跳ね上げ方向の回転モーメントが所定値を超えると、フレームが跳ね上げられ、水力発電装置４００の破損を防止したり、メンテナンスが必要な時に両水車を水面から露出させたりするものである。また、水位跳上げセンサプレート４１３を付加することにより、増水時の水流に対し跳ね上げ方向の回転モーメントを生じさせ、跳ね上げを促進することができる。図２３は、発電状態、跳ね上げ状態並びに発電位置へ復帰させる様子を模式的に描いたものである。
【００６５】
なお、以上の実施例はフレーム４０５、ひいては水力発電装置４００が通常は跳ね上げ方向への回転モーメントを生じていて、それに逆らってアーム４０６、ワイヤ４０７及びウインチ４０８により水力発電装置４００をほぼ垂直な発電位置へ戻す構造を例示したが、図２４に示すように、通常は垂直な発電位置にあるフレーム４０５を、これと一体的なアーム４１８及びワイヤ４１９を介してウインチ４２０により跳ね上げることも可能である。
【００６６】
さらに別の実施例を説明する。図２４に示すように、水車支持手段としてのフレーム４０５の下側部分は２個の水車２０を上下から挟む形態で、下側から順にフレーム横材４２０，４２１及び４２２を備え、これらがフレーム４０５の軸状部４２３と一体に構成されている。上側の第一水車２０（Ａ）は、フレーム横材４２０と４２１との間に挟まれ、それぞれ後述する軸受を介して回転可能に支持される。また、下側の第二水車２０（Ｂ）はフレーム横材４２０と４２１との間に挟まれ、それぞれ後述する軸受を介して回転可能に支持される。そして、水流Ｆを第一水車２０（Ａ）の外周側へ方向を変えて導く水流誘導部材４２４が、フレーム４０５の一部であるフレーム横材４２１と４２２により縦型のブレート状に固定されている。また、同じくフレーム４０５の一部をなすフレーム横材４２１と４２２とにより、第二水車２０（Ｂ）の外周側へ水流Ｆを方向を変えて導く水流誘導部材４２５が固定されている。
【００６７】
図２５に示すように、上段の水流誘導部材（ブレード）は、第一水車２０（Ａ）の凹状に湾曲した翼面（凹湾曲面）に対しできるだけ水流が直角に近い角度で当たるように水流を曲げる作用をなし、それにより水流が第一水車２０（Ａ）の凹湾曲面に角度θ（圧力角と言える）で当たるようにされる。これにより、第一水車２０（Ａ）の回転推進力が増大するとともに、水車２０（Ａ）に逆転トルク（本来の回転方向に逆らう抵抗トルク）が生じることを緩和する作用も期待できる。なお、第一水車２０（Ａ）に関して水流誘導部材４２４とは反対側（下流側）には、整流部材４２６がフレーム横材４２１と４２２に支持され、この整流部材（ブレード）４２６は、フレーム横材４２１等の長さ方向に沿うようにその幅方向の中央に非傾斜で位置し、第一水車２０（Ａ）を通過した水流を整流する作用をなす。
【００６８】
同様に、図２５（Ｂ）に示すように、下段の第二水車２０（Ｂ）に対応して水流誘導部材４２５（ブレード）が、上段のブレード（４２４）とは逆向きに傾いた角度で設けられ、水流を第二水車２０（Ｂ）の凹湾曲面に対しできるだけ直角に近い角度（圧力角）θで当たるように水流の方向を変更する。また、第二水車２０（Ｂ）を通過した水流に対し、整流作用をなす整流部材（ブレード）４２７が、上段と同様にフレーム横材４２０と４２１との間に固定されている。図２０は下流側からフレーム４０５を見たもので、ブレード形態をなす各水流誘導部材４２４，４２５及び整流部材４２４及び４２５は、それぞれ第一水車２０（Ａ）並びに第二水車２０（Ｂ）と同様の高さ寸法を有し、各水車２０（Ａ）、水車２０（Ｂ）と上流・下流でそれぞれの間隔（隙間）を隔てて対向している。
【００６９】
以上の実施例は、要するに、水車の凹状に湾曲した翼面（凹湾曲面）に対し水流が当たる圧力角を増大させるように水流の向きを変更する水流誘導部材を、当該水車の上流側において水車支持手段に設けたものである。また、必要に応じてその水車の下流側には、水流の流れに沿った（水流の向きを変えない）整流部材を設けることができる。
【００７０】
河川や水路でなく海上にこの水力発電装置４００を水没させ、潮流ないしは波流を利用して発電する場合は、水流の向きが継時的に反対になり、それに対応して水車２０（Ａ）及び２０（Ｂ）の上流側及び下流側に、水車の凹状に湾曲した翼面（凹湾曲面）への圧力角が増大するように水流を誘導する水流誘導部材をそれぞれ設けることもできる。図２５（Ｃ）は水車２０（Ａ）（Ｂ）に共通であり、水車２０を挟んで両側に水流誘導部材４２４及び４２４Ａを同じ角度だけ傾斜して対称的に配置（水車２０（Ａ）、２０（Ｂ）の中心に関して点対称に配置）した例を示している。
【００７１】
図２５において、第一水車２０（Ａ）は、Ｂ1及びＢ2において、また第二水車２０（Ｂ）は、Ｂ2及びＢ3においてそれぞれ軸受により回転可能に支持される。図２６はこのＢ1〜Ｂ3の部分を拡大して示す断面図である。ここにおいて、第一水車２０（Ａ）は上下方向の両端に円盤状の樹脂製すべり軸受４３１及び４３２を介して、対向する樹脂製すべり軸受４３０及び４３３により、前述のフレーム材４２２及び４２１に挟まれた状態で回転可能に支持されている。樹脂製すべり軸受４３０及び４３３は、扁平なフランジ付円筒部材である。これら樹脂製すべり軸受４３０〜４３３は、エンジニアリングプラスチック、例えば炭素繊維を含む低摩擦の硬質樹脂等からなり、スラスト軸受とラジアル軸受の役割を果たす。
【００７２】
第二水車２０（Ｂ）については、その下側の軸受部分は上述の第一水車２０（Ａ）と同様の樹脂製すべり軸受４３２及び４３３により支持され、また、第二水車２０（Ｂ）の上部はラジアル軸受としてフランジ付円筒状の樹脂製すべり軸受４３６が設けられ、またスラスト軸受として樹脂製すべり軸受４３４及び４３５が設けられている。フランジ付円筒状の樹脂製すべり軸受４３４はセットカラー４３７及びビスを介して（又は溶接により）第一水車２０（Ａ）の軸（回転筒）に固定される。上記のような樹脂製すべり軸受を設けることにより、ころ軸受と異なり、構造が簡単で耐久性もよく、またメンテナンスも容易となる。
【００７３】
以上の図１５〜図２６で説明した説明した３つの別の実施例は、これらのいずれか一つを採用することもできるし、２以上を適宜組み合わせて採用することもできる。さらには、３つの構成をすべて兼ね備えたものとすることもできる。例えば２つを適宜組み合わせる場合は、跳ね上げ方式と水流誘導部材との組合せ、跳ね上げ方式と樹脂製すべり軸受との組合せ、あるいは水流誘導部材と樹脂製すべり軸受との組合せを適宜採用できるし、これらと図１〜図１４に示した実施例とを適宜組み合わせることもできる。例えば、図１〜図１４の実施例に対し、水流誘導部材又は樹脂製すべり軸受を設けること（跳ね上げ方式にはしない）も可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１   水力発電装置
１０  保護フレーム
２０（Ａ）  第一水車
２０（Ｂ）  第二水車
２２  水車翼
２６ 前方翼面
２８ 後方翼面
５０  第二回転軸
５２  第一回転軸
４０ 発電機
４２  支持梁
１０１  界磁用マグネット
１０２  発電用コイル
１４０  ガイドフレーム（アセンブリガイド体）
２４１  第一ロータ
２４２  第二ロータ
２６１  高速水流通過面
２６２  低速水流通過面
２６３  湾曲ノーズ部
３００  水車発電アセンブリ
３０１  水車発電アセンブリ浮上支持構造部
ＷＦ  発電用水流
【図１】
2011010675.tif 000003
【図２】
2011010675.tif 000004
【図３】
2011010675.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011010675.tif 000007
【図６】
2011010675.tif 000008
【図７】
2011010675.tif 000009
【図８】
2011010675.tif 000010
【図９】
2011010675.tif 000011
【図１０】
2011010675.tif 000012
【図１１】
2011010675.tif 000013
【図１２】
2011010675.tif 000014
【図１３】
2011010675.tif 000015
【図１４】
2011010675.tif 000016
【図１５】
2011010675.tif 000017
【図１６】
2011010675.tif 000018
【図１７】
2011010675.tif 000019
【図１８Ａ】
2011010675.tif 000020
【図１８Ｂ】
2011010675.tif 000021
【図１９】
2011010675.tif 000022
【図２０】
2011010675.tif 000023
【図２１】
2011010675.tif 000024
【図２２】
2011010675.tif 000025
【図２３】
2011010675.tif 000026
【図２４】
2011010675.tif 000027
【図２５】
2011010675.tif 000028
【図２６】
2011010675.tif 000029
【国際調査報告】
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2011010675.tif 000031
2011010675.tif 000032
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